Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

вспышка релаксационного генератора, лампа которого выведена на панель пульта радиометра, должна регистрироваться электромеханическим счетчиком.

Установить переключатель ПУСК-СБРОС-СТОП последовательно в положения СТОП и СБРОС.

Схема должна отключиться, а секундомер и счетчик – остановиться и сбросить показания.

3. Провести градуировку спектрометра. Для этого:

- поставить переключатели в следующее положение:

ГЕНЕРАТОР- -золи- -газ- -золи- -газ -ЗОЛИ

2- 10100 100

ПУСК-СБРОС-СТОП СБРОС

(если используется -источник, переключатель рода работ ставится в положение -ЗОЛИ); - оттянуть за цепочку крышку на кожухе и вставить в гнездо

блока детектирования ((1) на рис. 4.3) градуировочный-источник (эталон) с маркировкой -ИСТОЧНИК (или градуировочный -источник с маркировкой -ИСТОЧНИК);

-поставить переключатель ПУСК-СБРОС-СТОП в положение ПУСК;

-через 3 мин поставить переключатель ПУСК-СБРОС-СТОП

вположение СТОП; по шкале электромеханического счетчика с учетом выбранного коэффициента пересчета определить зареги-

стрированное число импульсов для -частиц nαЭ , результат занести в табл. 4.5. Найти отношение полученной скорости счета nαЭ (имп./мин) к паспортному значению испускаемых частиц q Э . Для правильно настроенного и нормально работающего

прибора находится в интервале 0,15 0,21. Практически, коэффициент пропорциональности между числами импульсов, зарегистрированных при измерении скорости счета от градуиро-

вочного источника (эталона) ( nαЭ ) и числом частиц, испускаемых градуировочным источником ( q Э ):

nЭ

, (4.6) q Э

- убрать градуировочный -источник из гнезда блока детек-

111

тирования; - аналогично провести измерения для градуировочного

-источника;

числом частиц, испускаемых эталоном q Э

nЭ

= 0,15 0,21; (4.7) q Э

- полученные данные занести в табл. 4.5.

Таблица 4.5 Значения скоростей счета градуировочных источников (эталонов) n Э ,

Число частиц, испускаемых эталонами (градуировочными источниками):

q Э (239Pu) = 384 част./с; Т1/2(239Pu) = 2,44 104 лет;

q Э (90Sr) = 1614 част./с на 01.1975 г.; Т1/2(90Sr) = 28 лет.

4. Провести осаждение аэрозолей на фильтр и одновременно измерить фон. Для этого:

-вставить кассету с фильтром в воронку воздухозаборного патрубка ((4) на рис. 4.3);

-переключатель рода работ поставить в положение -ЗОЛИ (или -ЗОЛИ );

ВОЗДУХ, одновременно поставить переключатель ПУСК- СТОП-СБРОС в положение ПУСК при этом должны включиться секундомер и воздуходувка;

- установить ручкой поплавок

ротаметра ((5) на рис. 4.3) на средней риске (допускаются колебания его около среднего положения); это соответствует производительности воздуходувки 20 л/мин;

-через 10 мин переключатель ПУСК-СТОП-СБРОС поставить

вположение СТОП, а переключатель ВОЗДУХ–ВЫКЛ в положение ВЫКЛ и по шкале электромеханического счетчика с учетом выбранного коэффициента пересчета определить число им-

пульсов собственного фона n блока детектирования -аэрозо- лей (или -аэрозолей);

-результат измерения n (или n ) занести в табл. 4.5.

5.Для измерения концентрации -радиоактивных аэрозолей (или -аэрозолей) рабочих фильтров n (n ) нужно:

-вынуть кассету с фильтром из воронки воздуходувки и вставить ее в гнездо блока детектирования на пульте радиометра; переключатель ПУСК-СТОП-СБРОС поставить в положение ПУСК;

-провести измерение в течение 10 мин и записать сосчитанное

электромеханическим счетчиком число импульсов n с учетом

выбранного коэффициента пересчета.

6. Взять другой фильтр и повторить п.4 и 5 для измерения

mV P Pф

где n и n скорости счета, обусловленные активностью - и

-аэрозолей, осевших на фильтре, имп/мин; m = 2,22 1012 мин-1

– переводной коэффициент к единице активности Ки; V – объем воздуха, прокачанного через фильтр, л; коэффициент, ха-

113

рактеризующий эффективность улавливания аэрозольных частиц фильтром (для ФПП = 0,99); и определяются при градуировке радиометра (формулы (4.6) и (4.7)), которая проводится по градуировочным - и -источникам 239Pu и 90Sr, имитирующим активность аэрозольных частиц (активность эталонов необходимо пересчитать на момент измерений, учитывая время, прошедшее с момента аттестации); Рф – коэффициент, учитывающий поглощение -частиц фильтром и определяемый экспериментально (в расчетах принять Рф = 0,85); Р и Р коэффициенты, учитывающие разность в геометрии: фильтров, имеющих прямоугольную форму и образцовых источников (эталонов), нанесенных на положку в форме круглого пятна (Р = 0,8;

Р = 0,7).

2. Рассчитать эффективную дозу внутреннего облучения населения за счет ингаляции короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона по формуле

Евн., Rn = 0,01584 (Сэкв., ул. + 4 Сэкв., зд.), мЗв/год, (4.11)

где Сэкв., ул., Сэкв., зд. средние значения эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) изотопов радона в воздухе на открытой территории и в помещении, Бк/м3, соответственно; коэффициент 0,01584 включает в себя дозовый коэффициент (переводит поступившую ингаляционно активность короткоживущих продуктов распада радона в эффективную дозу внутреннего облучения, см. формулу В.38) и время облучения населения в год (8800 ч).

Для расчета по формуле (4.11) принять, что средняя годовая ЭРОА в помещении равна измеренному значению суммарной

активности, т.е. Сэкв., зд. = С + С , а значение Сэкв., ул. принять равным среднемировому значению ЭРОА, т.е. Сэкв., ул. = 4,5 Бк/м3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Внешнее и внутреннее облучение естественными источниками облучения. Их соотношение при облучении человека.

2.Образование естественных радиоактивных аэрозолей. Радиоактивные семейства.

3.Образование искусственных аэрозолей при работе АЭС.

114

4.Определение радиационной опасности радионуклидов. Предел годового поступления (ПГП).

5.Методы осаждения радиоактивных аэрозолей. Тонковолокнистые фильтры Петрянова (ФПА и ФПП), их достоинства и недостатки. Эффективность волокнистых фильтров и проскок. Инерционные осадители

6.Измерение концентрации аэрозолей искусственного происхождения на фоне естественных аэрозолей.

4.Устройство радиометра РВ-4.

5.Определение эффективной дозы внутреннего облучения.

ЛИТЕРАТУРА

1.Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоатомиздат (любое издание).

2.Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и ра-

диационной гигиене. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3.Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. – М.: Энергоатомиздат, 1999.

4.Радиация. Дозы, эффекты, риск. – М.: Мир, 1988.

5.Сивинцев Ю.В. Насколько опасно облучение. – М.: ИздАТ,

1991.

6.Кутьков В.А., Ткаченко В.В., Романцов В.П. Радиационная безопасность персонала атомных станций. – Москва-Обнинск,

2003.

7.Романцова И.В. Радиоактивные аэрозоли. – Обнинск: ИАТЭ,

2005.

РАБОТА № 5. ИЗМЕРЕНИЕ ФАКТОРОВ НАКОПЛЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Практические расчеты защиты от ионизирующего излучения часто выполняются с помощью макроскопических констант, таких, например, как фактор накопления для фотонного излучения. Эти константы могут быть получены расчетным путем

115

(например, решением кинетического уравнения переноса) или экспериментально. В любом случае необходимо знать процессы, происходящие в веществе при воздействии на него ионизирующего излучения.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

СВЕЩЕСТВОМ

Вдиапазоне энергий фотонов 20 кэВ 10 МэВ может происходить более десяти различных типов взаимодействий фотонов с веществом. Для защиты от фотонного излучения радионуклидных и реакторных источников наиболее важными из них являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэлектрическое поглощение – процесс, при котором вся

энергия -квантов затрачивается на вырывание электрона из оболочки атома и сообщение ему кинетической энергии. Если энергия -кванта превышает энергию связи для любой оболочки, то наиболее вероятен фотоэффект на К-оболочке данного атома. Кинетическая энергия электрона равна е = св, где энергия -кванта, св – энергия связи электрона в атоме. Освободившееся место занимает электрон с более высокой оболочки, при этом испускается квант характеристического излучения с энер-

гией, равной разности энергетических уровней оболочек. Этот квант с большой вероятностью может вызвать фотоэффект на более высоких оболочках соседних атомов и, таким образом, процесс идет до тех пор, пока вся энергия исходного -кванта не превратится в кинетическую энергию заряженных частиц. Вместо характеристического излучения энергия, полученная при электронном переходе с одной оболочки на другую, может быть сразу передана одному из внешних электронов атома; эти быстрые электроны получили название Оже-электронов. Таким образом, независимо от вида процесса, происходящего после фотопоглощения, вся энергия исходного -кванта превращается в кинетическую энергию заряженных частиц – электронов, поэтому фотопоглощение можно назвать процессом полного поглощения энергии.

Зависимость сечения фотопоглощения от энергии фотонов

116

mec2, где mec2 = 0,511 МэВ – энергия покоя электрона. Фотопоглощение играет особо существенную роль для энер-

гий -квантов меньше 0,5 МэВ и для материалов с большим Z, поэтому при проектировании защиты от -квантов предпочтительно использовать тяжелые материалы.

Некогерентное (комптоновское) рассеяние – процесс переда-

чи части энергии -кванта свободному электрону в веществе. При достаточно больших (> 0,5 МэВ) энергиях -квантов почти все электроны в веществе можно считать свободными, т.к. энергия связи электронов в атоме невелика (например, энергия связи электрона на К-оболочке у железа ~ 0,007 МэВ). В отличие от фотопоглощения, при комптоновском рассеянии фотон не поглощается, а лишь изменяет свою энергию и направление движения. При этом электрону передается лишь часть энергии налетающего -кванта; другая часть энергии остается у рассеянного-кванта. Электроны отдачи летят только вперед, рассеянные - кванты распространяются в любом направлении. Дифференциальное сечение, т.е. сечение, характеризующее вероятность рассеяния на различные углы в зависимости от энергии -кванта, описывается формулой Клейна-Нишины-Тамма. Из этой формулы следует, что -кванты больших энергий рассеиваются преимущественно вперед, а малых энергий – равновероятно на любой угол. Из законов сохранения энергии и импульса следует

Из формулы (5.1) можно получить, что ни при какой сколь угодно большой энергии исходных -квантов энергия рассеянного назад (1800) кванта не может превышать mec2 2 . Из этой фор-

мулы также следует, что энергия рассеянного кванта никогда не равна нулю, т.е. при комптоновском рассеянии заряженным ча-

117

~ 1/ . В интересующем нас диапазоне энергий -излучения сечение комптоновского взаимодействия преобладает над всеми другими сечениями практически для всех веществ (для свинца от 0,5 до 5 МэВ, для алюминия от 0,05 до 15 МэВ, в биологической ткани от 0,02 до 25 МэВ).

Образование электронно-позитронных пар – процесс, при котором часть энергии -квантов, равная 1,022 МэВ, затрачивается на образование пары, а остальная часть сообщается электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Для совмест-

ного выполнения законов сохранения энергии и импульса требуется наличие какого-нибудь поля, поэтому образование пар может происходить только в поле ядра или электрона. Процесс пороговый и при энергии менее 1,022 МэВ невозможен (в поле электрона необходимо 2,044 МэВ). Зависимость сечения образования пар от энергии -кванта и заряда ядра, в поле которого происходит рождение пары, можно приближенно описать эмпирическим соотношением:

По аналогии с комптоновским рассеянием, полное сечение образования пар можно представить в виде суммы

где а – сечение передачи (истинного поглощения) энергии при образовании пар; s – сечение, характеризующее унос энергии при образовании пар.

Унос энергии происходит следующим образом: образовавшийся позитрон тормозится в веществе за счет ионизации и возбуждения атомов, потеряв энергию, он аннигилирует с одним из электронов среды, при этом рождаются два -кванта с энергией 0,511 МэВ каждый. Эти -кванты могут покинуть объем, обеспечивая унос энергии, равный 1,022 МэВ. Если аннигиляционные-кванты поглощаются, например, за счет фотопоглощения, тогда s = 0.

Образование электронно-позитронных пар становится заметным (по сравнению с другими видами взаимодействия-излучения с веществом) для свинца, начиная с энергии 3,5 МэВ; для алюминия с 12 МэВ.

Для расчетов защиты взаимодействие -излучения с веще-

119

ством принято характеризовать некоторыми суммарными величинами, такими, как линейный и массовый коэффициенты ослабления, коэффициенты передачи энергии, поглощения и др.

Линейный коэффициент ослабления – отношение доли dN/N косвенно ионизирующих частиц данной энергии, претерпевающих взаимодействие при прохождении элементарного пути dl в среде, к длине этого пути:

Для фотонного излучения этот коэффициент равен сумме линейных коэффициентов ослабления, обусловленных фотопоглощением, комптоновским рассеянием и образованием электрон- но-позитронных пар. По определению, линейные коэффициенты ослабления есть не что иное, как макроскопические сечения со-

Рис. 5.2. Зависимость линейного коэффициента ослабления-излучения для алюминия (а) и свинца (б) от энергии -квантов

Зависимость линейного коэффициента ослабления и его составляющих от энергии -квантов для алюминия и свинца представлена на рис. 5.2, из которого видно, что в зависимости ( ) имеется минимум при некоторой энергии min. Зна-

120